高中物理“位移”概念的教学要领

樊伟新

(浙江上虞东关中学,浙江上虞 312352)

“位移”是人教版高中《物理》必修1第 1章“运动的描述”第2节中的一个力学基本概念,也是构建其他概念的元概念.它是指用来描述物体位置变化的物理量,是学生学习高中物理遇到的第一个矢量.位移概念的理解直接影响着后续概念的学习,如速度、平均速度、瞬时速度的理解,因它们的基本定义均为位移除以时间;另外,匀变速直线运动位移与时间的关系;曲线运动中物体的位移及位移的合成与分解;功定义中力的方向上的位移;简谐运动中振动物体对平衡位置的位移等等都需要对位移概念有深刻的理解.

那么如何对位移概念进行有效教学呢?

笔者听课时有意听位移一节的教材处理及教法,教师们普遍的处理方式是:先利用影片、图片等举一些生活中物体运动的具体例子,然后结合教材“图1.2-2不论通过什么路线从北京到重庆,位置变化都是一样的”这一图片,概括出位移的概念,指明位移是个矢量,然后应用位移概念进行解题训练.这样的教学方式“按步就班”使教师少掉很多麻烦,但却失去了培养学生创造思维的机会.当然也就背弃了高中物理新课程标准在课程目标上的基本理念:“高中物理课程应促进学生自主学习,让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考.通过多样化的教学方式,帮助学生学习物理知识与技能,培养其科学探究能力,使其逐步形成科学态度与科学精神.”通过笔者对学生的调查,发现学生仍存在一些疑问:第一,尽管教师举了一些实例,学生仍感到位移来得突然,难以内化为学生的自主知识;第二,学生在初中已有了路程的概念,且路程与实际生活密切结合,为什么还要引入位移?第三,为什么将定义位移为有向线段?造成这些困惑的主要原因笔者认为在于教师对教材处理的粗浅和学生了解的不深.教师首先需要明确高中物理新教材的课程目标,即不仅仅是物理知识的传授,更有过程、方法和情感态度价值观的学习;教师对物理概念规律的背景及意义须深入理解;教师需要研究学生,研究学生的知识需要,研究学生知识习得过程中的认知结构、认知需要.下面谈谈笔者对位移概念教学的认识.

首先应让学生明白运动学中引入位移的必要性,这是因为力学分支的研究对象是机械运动,而机械运动研究物体位置的变化,最终目的是探寻物体位置变化的定量规律,所以引入物体位置变化的量化物理量不仅是必要的而且也是必须的.

其次是建立位移概念教学的探究过程,在确定出发点和目的地后,让学生充分举例,教师出示图片(不一定是用教材的图片),如图1所示.

1 提出问题.将实际问题抽象化:某质点从空间的 A(学校)位置(初位置)到 B(商场)位置(末位置)的过程中,位置发生了解变化.初、末位置变化的情况如果用一个物理量来表征,那么这个物理量就应该是由初、末位置唯一确定,而与A到B的中间路径无关,只有这种属性的物理量才能量化两位置的差别.这个物理量(位移)如何定义呢?

图1

图2

2.开放问题.这是一个开放性问题,但同时也是一个让学生创造性思维充分展示的问题;前面已经分析出了这个物理量(位移)的特性,即由初、末位置唯一决定.然而,只由初、末位置唯一确定的量可构造许多个,如图2;可用由初、末位置的连接线段作为一个量 AB,也可用由初末位置连接线段 AB为直径的半圆周长作为一个量;当然还可以用AB为一边的长方形另三边长ADCB作为一个量,以 AB为一边的等腰三角形或等边三角形的另两条边长ACB作为一个量等等,如图2.现在的问题是在这么多个方案中,选用哪一种呢?

3.拓展问题.

图3

现在我们再来设想,如果就以上述认识即以AB两点间距离来定义A到B位置变化(位移),如图3,假设一位学生在圆形广场中心 O出发最后到达圆周位置的A或B或C……等位置,或假设该学生从 A、B、C、……等位置出发最后到达 O位置,由 OA、OB、OC等均相等,按照上述定义这不是位置变化都一样了吗?显然一个量值同时量化了多个不同位置改变的现象.违背了引入物理量应满足的对应原则.需要对该定义进行修正!

图4

4.归纳问题.如果我们取好坐标系,如图4,如取水平向右为X轴,我们不难发现,OA、OB、OC与X轴的夹角是不同的,如果用距离和角度一起定义一个物理量X,用X来描述位置的改变,那么,从 O分别到达 A、B、C各点的位置改变就对应不同的X值,不同的X值也对应着不同的位置改变,满足物理量的对应原则.而角度是表征方向的量,所以 X是一个有大小(距离)和方向的物理量.这样,修正以后,位移可重新定义如下:“从初位置到末位置作一条有向线段,用这条有向线段表示位移”.即线段表示位移大小,箭头方向表示位移的方向.

5.得出结论.因此位移是个既有大小又有方向的量,这种物理学量我们称为矢量,上述问题也可用图来表示,如图5,可用有向线段OA来表示从O到A的位置变化.

图5

以上对位移概念教学的展示,说明了概念教学的重点应是教师引导学生在创造的情景下,通过探究学习建立概念.同时,高中物理课程标准的总目标确立了三维目标,在“知识与技能”方面强调,学生要学习概念、定律、模型以及实验技能.作为教师不仅要让学生正确掌握概念,还应该重视物理概念与自然、社会、科学技术的相互关系,这种关系也应当成为教学内容的重要组成部分.而概念的背后往往有着一种深刻的物理学思想和物理学方法,因此,要将概念建立过程中所体现出来的思想和方法渗透到教学内容中.